在偶分母分數量子霍爾系統中,非阿貝爾任意子的位置交換,會以拓撲保護的方式影響系統量子態。通過干涉實驗,可直接研究獨特的統計性質,這為在偶分母分數量子霍爾系統中,觀測預期表征提供了契機。
近日,以色列魏茨曼科學研究所Jehyun Kim, Himanshu Dev,Yuval Ronen等在Nature上發文,利用法布里-珀羅干涉技術,基于高遷移率雙層石墨烯的范德華異質結構中,觀測到了兩個偶分母分數量子霍爾態的相干阿哈羅諾夫-玻姆干涉。
通過在恒定填充因子下運行干涉儀,實驗觀察到了干涉環內,磁通量子數為二的振蕩周期ΔΦ = 2Φ?,該干涉并不攜帶非阿貝爾統計特征。預期ΔΦ = 4Φ?周期性的缺失,可能表明干涉準粒子攜帶電荷e* = ?e,或 e* = ?e準粒子的干涉被熱效應模糊。在兩個空穴共軛態中,同樣觀測到了預期值一半的振蕩周期,表明該處發生的是 e* = ?e準粒子干涉而非e* = ?e準粒子干涉。
為了探究統計相位貢獻,通過控制填充因子偏離值運行法布里-珀羅干涉儀,從而在干涉環內,引入分數量子化準粒子。兩個半填充態干涉圖樣的變化均表明,額外引入的體準粒子攜帶基本電荷e* = ?e,這符合非阿貝爾任意子的理論預期。
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Aharonov–Bohm interference in even-denominator fractional quantum Hall states.
偶分母分數量子霍爾態中的阿哈羅諾夫-玻姆干涉。
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圖1|基于雙層石墨烯的法布里-珀羅干涉儀結構。
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圖2|偶分母阿哈羅諾夫-玻姆干涉。
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圖3|不同分數量子霍爾態中,e* = νLLe準粒子的量子干涉
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圖4|分數量子化準粒子干涉中的統計相位貢獻。
實驗采用高遷移率范德華異質結,以雙層石墨烯為活性二維層,上下分別封裝六方氮化硼(hBN)作為介電層,最外側為石墨柵極,形成“三明治”結構。通過電子束光刻與反應離子蝕刻技術制備了寬度僅40納米的柵極溝道,構建了由八個獨立柵極調控的Fabry–Pérot干涉儀。在10 mK超低溫和12 T強磁場下運行,通過精密調控柵極電壓與磁場,實現Aharonov–Bohm干涉與統計相位測量。
文獻鏈接
Kim, J., Dev, H., Shaer, A. et al. Aharonov–Bohm interference in even-denominator fractional quantum Hall states. Nature649, 323–329 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09891-2
本文譯自Nature。
來源:今日新材料
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